Одноэлектроника. Эффект кулоновской блокады Кратко
Одноэлектроника – область физики, занимающаяся изучением устройств, работа которых основывается на контролируемом движении отдельных электронов.
Эффект кулоновской блокады – явление отсутствия тока при приложении напряжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания.
Одноэлектронный транзистор (англ. Single-electron transistor (SET)) – транзистор, в основе концепции которого лежит возможность получения заметных изменений напряжения при манипуляции с отдельными электронами. Такая возможность имеется, в частности, благодаря явлению кулоновской блокады.
План ответа
1. Введение;
2. Базовые принципы одноэлектроники;
3. Практическая релизация одноэлектроники.
Введение
В последнее время в связи с приближением к пределам миниатюризации классических микроэлектронных приборов усилился интерес к приборам, могущим обеспечить дальнейший прогресс электроники. Одним из возможных путей такого прогресса является создание приборов, в которых контролируется перемещение определенного количества электронов, в частности, одного электрона. Создание так называемых одноэлектронных приборов открывает заманчивые перспективы цифровой одноэлектроники, в которой бит информации будет представлен одним электроном. В таких приборах перемещение электрона происходит посредством туннелирования. Так как времена туннелирования электрона достаточно малы, то теоретический предел быстродействия одноэлектронных приборов очень высок. С другой стороны, работа, необходимая для перемещения одного электрона, также мала, следовательно, энергопотребление одноэлектронных схем должно быть чрезвычайно небольшим. Так, по оценкам основоположника одноэлектроники К. К. Лихарева теоретический предел быстродействия одноэлектронного прибора составляет сотни ТГц, а энергопотребление одного прибора – 3·10-8 Вт.
Явление одноэлектронного туннелирования впервые было предсказано в 1986 г. нашим соотечественником К. К. Лихаревым. Через несколько лет после первой статьи Лихарева начало появляться множество работ, в которых описывалось экспериментальное наблюдение эффектов, предсказанных Лихаревым. Таким образом, теория блестяще подтвердилась экспериментально.
В силу особенностей, которые будут подробно обсуждены дальше, первые эксперименты проводились при очень низких температурах – несколько мК, а в настоящее время одноэлектронные эффекты наблюдаются и при комнатной температуре, однако это осуществлено лишь при использовании сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), и приборов, работающих при комнатной температуре, до сих пор не создано. Устойчиво функционирующие приборы с воспроизводимыми характеристиками существуют лишь при температуре 4.2 К. Однако в отличие от ситуации с высокотемпературной сверхпроводимостью, где неясно, возможна ли сверхпроводимость при комнатной температуре, одноэлектронные эффекты при комнатной температуре стабильно наблюдаются, и проблема заключается в создании работоспособных приборов.